高中物理人教版選修34教學(xué)案第十三章第3節(jié)光的干涉2

第3節(jié)光_的_干_涉1.英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊于1801年勝利地觀看到了光的干預(yù)現(xiàn)象。2．雙縫干預(yù)圖樣：?jiǎn)紊狻靼迪嚅g的條紋。3．干預(yù)條件：兩列光的頻率相同，振動(dòng)方向相同，相位差恒定。4．消失明紋與暗紋的條件：兩光源到屏上某點(diǎn)的距離之差等于半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)消失亮條紋，奇數(shù)倍時(shí)消失暗條紋。一、楊氏干預(yù)試驗(yàn)1．物理史實(shí)1801年，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊勝利地觀看到了光的干預(yù)現(xiàn)象，開(kāi)頭讓人們熟悉到光的波動(dòng)性。2．雙縫干預(yù)試驗(yàn)(1)試驗(yàn)過(guò)程：讓一束平行的完全相同的單色光投射到一個(gè)有兩條狹縫的擋板上，兩狹縫相距很近，兩狹縫就成了兩個(gè)波源，它們的頻率、相位和振動(dòng)方向總是相同的，兩個(gè)光源發(fā)出的光在擋板后面的空間相互疊加發(fā)生干預(yù)。(2)試驗(yàn)現(xiàn)象：在屏上得到明暗相間的條紋。(3)試驗(yàn)結(jié)論：證明光是一種波。二、光發(fā)生干預(yù)的條件1．干預(yù)條件兩列光的頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定。2．相干光源發(fā)出的光能夠產(chǎn)生干預(yù)的兩個(gè)光源。3．一般狀況下很難觀看到光的干預(yù)現(xiàn)象的緣由由于不同光源發(fā)出的光的頻率一般不同，即使是同一光源，它的不同部位發(fā)出的光也不肯定有相同的頻率和恒定的相位差，故一般狀況下不易觀看到光的干預(yù)現(xiàn)象。1．自主思索——判一判(1)直接用強(qiáng)光照耀雙縫，發(fā)生干預(yù)。(×)(2)假設(shè)用白光作光源，干預(yù)條紋是明暗相間的條紋。(×)(3)假設(shè)用單色光作光源，干預(yù)條紋是明暗相間的條紋。(√)(4)在雙縫干預(yù)試驗(yàn)中單縫屏的作用是為了獲得一個(gè)線光源。(√)(5)雙縫干預(yù)試驗(yàn)證明光是一種波。(√)2．合作探究——議一議(1)兩只手電筒射出的光束在空間相遇，能否觀看到光的干預(yù)現(xiàn)象？提示：不能。兩只手電筒射出的光束在空間相遇，不滿意光發(fā)生干預(yù)的條件，不能觀看到光的干預(yù)現(xiàn)象。(2)在雙縫干預(yù)試驗(yàn)中，假如入射光用白光，在兩條狹縫上，一個(gè)用紅色濾光片(只允許通過(guò)紅光)遮擋，一個(gè)用綠色濾光片(只允許通過(guò)綠光)遮擋。試想：屏上還有干預(yù)條紋嗎？提示：屏上不會(huì)消失干預(yù)條紋，由于雙縫用紅、綠濾光片遮擋后，透過(guò)的兩束光頻率不相等，就不是相干光源了，不會(huì)再發(fā)生干預(yù)。對(duì)楊氏雙縫干預(yù)試驗(yàn)的理解1．雙縫干預(yù)的裝置示意圖試驗(yàn)裝置如下圖，有光源、單縫、雙縫和光屏。2．單縫屏的作用獲得一個(gè)線光源，使光源有唯一的頻率和振動(dòng)狀況。3．雙縫屏的作用平行光照耀到單縫S上，又照到雙縫S1、S2上，這樣一束光被分成兩束頻率相同和振動(dòng)狀況完全全都的相干光。4．屏上某處消失亮、暗條紋的條件頻率相同的兩列波在同一點(diǎn)引起的振動(dòng)的疊加，如亮條紋處某點(diǎn)同時(shí)參加的兩個(gè)振動(dòng)步調(diào)總是全都，即振動(dòng)方向總是相同；暗條紋處振動(dòng)步調(diào)總相反。詳細(xì)產(chǎn)生亮、暗條紋的條件為：(1)亮條紋的條件：屏上某點(diǎn)P到兩條縫S1和S2的路程差正好是波長(zhǎng)的整數(shù)倍或半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍。即：|PS1－PS2|＝kλ＝2keq\f(λ,2)(k＝0,1,2,3……)k＝0時(shí)，PS1＝PS2，此時(shí)P點(diǎn)位于屏上的O處，為亮條紋，此處的條紋叫中心亮條紋或零級(jí)亮條紋。k為亮條紋的級(jí)次。(2)暗條紋的條件：屏上某點(diǎn)P到兩條縫S1和S2的路程差正好是半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。即：|PS1－PS2|＝(2k－1)eq\f(λ,2)(k＝1,2,3……)k為暗條紋的級(jí)次，從第1級(jí)暗條紋開(kāi)頭向兩側(cè)綻開(kāi)。[典例]如下圖是雙縫干預(yù)試驗(yàn)裝置，使用波長(zhǎng)為600nm的橙色光源照耀單縫S，在光屏中心P處觀看到亮條紋，在位于P點(diǎn)上方的P1點(diǎn)消失第一條亮條紋中心(即P1到S1、S2的路程差為一個(gè)波長(zhǎng))，現(xiàn)換用波長(zhǎng)為400nm的紫光光源照耀單縫，那么()A．P和P1處仍為亮條紋B．P處為亮條紋，P1處為暗條紋C．P處為暗條紋，P1處為亮條紋D．P、P1處均為暗條紋[解析]從單縫S射出的光波被S1、S2兩縫分成的兩束光為相干光，由題意知屏中心P點(diǎn)到S1、S2距離相等，即由S1、S2分別射出的光到P點(diǎn)的路程差為零，因此是亮條紋。因而，無(wú)論入射光是什么顏色的光，波長(zhǎng)多長(zhǎng)，P點(diǎn)都是中心亮條紋。而P1點(diǎn)到S1、S2的路程差剛好是橙光的一個(gè)波長(zhǎng)，即|P1S1－P1S2|＝600nm＝λ橙，那么兩列光波到達(dá)P1點(diǎn)振動(dòng)狀況完全全都，振動(dòng)得到加強(qiáng)，因此消失亮條紋。當(dāng)換用波長(zhǎng)為400nm的紫光時(shí)，|P1S1－P1S2|＝600nm＝eq\f(3,2)λ紫，那么兩列光波到達(dá)P1點(diǎn)時(shí)振動(dòng)狀況完全相反，即由S1、S2射出的光波到達(dá)P1點(diǎn)時(shí)相互減弱，因此消失暗條紋。[答案]B雙縫干預(yù)中明暗條紋的推斷方法(1)推斷屏上某點(diǎn)為亮條紋還是暗條紋，要看該點(diǎn)到兩個(gè)光源(雙縫)的路程差(光程差)與波長(zhǎng)的比值。(2)要記?。郝烦滩畹扔诓ㄩL(zhǎng)整數(shù)倍處消失亮條紋；等于半波長(zhǎng)奇數(shù)倍處為暗條紋。(3)上述結(jié)論成立的條件是：兩個(gè)光源狀況完全相同。1．一束白光通過(guò)雙縫后在屏上觀看到干預(yù)條紋，除中心白色條紋外，兩側(cè)還有彩色條紋，其緣由是()A．各色光的波長(zhǎng)不同，因而各色光分別產(chǎn)生的干預(yù)條紋間距不同B．各色光的速度不同，造成條紋的間距不同C．各色光的強(qiáng)度不同，造成條紋的間距不同D．各色光通過(guò)雙縫到達(dá)一確定點(diǎn)的距離不同解析：選A各色光的頻率不同，波長(zhǎng)不同，在屏上得到的干預(yù)條紋的寬度不同，各種顏色的條紋疊加后得到彩色條紋，故A正確。2．如下圖是單色光雙縫干預(yù)試驗(yàn)?zāi)骋粫r(shí)刻的波形圖，實(shí)線表示波峰，虛線表示波谷。在此時(shí)刻，介質(zhì)中A點(diǎn)為波峰相疊加點(diǎn)，B點(diǎn)為波谷相疊加點(diǎn)，A、B連線上的C點(diǎn)為某中間狀態(tài)相疊加點(diǎn)，假如把屏分別放在A、B、C三個(gè)位置，那么()A．A、B、C三個(gè)位置都消失亮條紋B．B位置消失暗條紋C．C位置消失亮條紋或暗條紋要由其他條件打算D．以上結(jié)論都不對(duì)解析：選A此題中，A、B、C三點(diǎn)總是振動(dòng)加強(qiáng)的點(diǎn)屏上對(duì)應(yīng)消失的都是亮條紋。另外，要特殊留意波谷與波谷相遇的點(diǎn)(圖中B點(diǎn))振動(dòng)也是加強(qiáng)的，不要以為B點(diǎn)是暗的。3.如下圖為雙縫干預(yù)試驗(yàn)裝置，當(dāng)使用波長(zhǎng)為6×10－7m的橙色光做試驗(yàn)時(shí)，光屏P點(diǎn)及上方的P1點(diǎn)形成相鄰的亮條紋。假設(shè)使用波長(zhǎng)為4×10－7m的紫光重復(fù)上述試驗(yàn)，在P和P1點(diǎn)形成的亮、暗條紋的狀況是()A．P和P1都是亮條紋B．P是亮條紋，P1是暗條紋C．P是暗條紋，P1是亮條紋D．P和P1都是暗條紋解析：選Beq\f(λ橙,λ紫)＝eq\f(6×10－7,4×10－7)＝1.5＝eq\f(3,2)P1點(diǎn)對(duì)橙光：Δr＝n·λ橙，對(duì)紫光：Δr＝nλ橙＝n·eq\f(3,2)λ紫＝3n·eq\f(λ紫,2)由于P1與P相鄰，所以n＝1，P1點(diǎn)是暗條紋。對(duì)P點(diǎn)，由于Δr＝0，所以仍是亮條紋，B正確。雙縫干預(yù)圖樣的特點(diǎn)1．單色光的干預(yù)圖樣假設(shè)用單色光作光源，那么干預(yù)條紋是明暗相間的條紋，且條紋間距相等。中心為亮條紋，兩相鄰亮條紋(或暗條紋)間距離與光的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越大，條紋間距越大。2．白光的干預(yù)圖樣假設(shè)用白光作光源，那么干預(yù)條紋是彩色條紋，且中心條紋是白色的。這是由于：(1)從雙縫射出的兩列光波中，各種色光都能形成明暗相間的條紋，各種色光都在中心條紋處形成亮條紋，從而復(fù)合成白色條紋。(2)兩側(cè)條紋間距與各色光的波長(zhǎng)成正比，即紅光的亮條紋間距寬度最大，紫光的亮條紋間距寬度最小，即除中心條紋以外的其他條紋不能完全重合，這樣便形成了彩色干預(yù)條紋。1．在楊氏雙縫干預(yù)試驗(yàn)中，假如()A．用白光作為光源，屏上將呈現(xiàn)黑白相間的條紋B．用紅光作為光源，屏上將呈現(xiàn)紅黑相間的條紋C．用紅光照耀一條狹縫，用紫光照耀另一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋D．用紫光作為光源，遮住其中一條狹縫，屏上將呈現(xiàn)間距不等的條紋解析：選BD白光作楊氏雙縫干預(yù)試驗(yàn)，屏上將呈現(xiàn)彩色條紋，A錯(cuò)；用紅光作光源，屏上將呈現(xiàn)紅色亮條紋與暗條紋(即黑條紋)相間的條紋，B對(duì)；紅光和紫光頻率不同，不能產(chǎn)生干預(yù)條紋，C錯(cuò)；紫光作光源，遮住一條狹縫，屏上消失單縫衍射條紋，即間距不等的條紋，D對(duì)。2．在光的雙縫干預(yù)現(xiàn)象里，以下描述正確的選項(xiàng)是()A．用白光做光的干預(yù)試驗(yàn)時(shí)，偏離中心亮條紋較遠(yuǎn)的是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光B．用白光做光的干預(yù)試驗(yàn)時(shí)，偏離中心亮條紋較遠(yuǎn)的是波長(zhǎng)較短的紫光C．相鄰兩亮條紋和相鄰兩暗條紋的間距是不等的D．在雙縫干預(yù)現(xiàn)象里，把入射光由紅光換成紫光，相鄰兩個(gè)亮條紋間距將變寬解析：選A條紋間距與光的波長(zhǎng)成正比，在可見(jiàn)光中，紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，紫光波長(zhǎng)最短，故偏離中心亮條紋最遠(yuǎn)的是紅光，A正確、B錯(cuò)誤。雙縫干預(yù)現(xiàn)象中，相鄰兩亮條紋或兩暗條紋是等寬間距的，故C錯(cuò)誤。紅光的波長(zhǎng)比紫光的波長(zhǎng)大，所以換成紫光后，相鄰兩亮條紋間距將變窄，故D錯(cuò)誤。3．如圖甲所示為雙縫干預(yù)試驗(yàn)的裝置示意圖，乙圖為用綠光進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在屏上觀看到的條紋狀況，a為中心亮條紋，丙圖為換用另一顏色的單色光做試驗(yàn)時(shí)觀看到的條紋狀況，a′為中心亮條紋。那么以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()A．丙圖可能為用紅光試驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，說(shuō)明紅光波長(zhǎng)較長(zhǎng)B．丙圖可能為用紫光試驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，說(shuō)明紫光波長(zhǎng)較長(zhǎng)C．丙圖可能為用紫光試驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，說(shuō)明紫光波長(zhǎng)較短D．丙圖可能為用紅光試驗(yàn)產(chǎn)生的條紋，說(shuō)明紅光波長(zhǎng)較短解析：選A依據(jù)雙縫干預(yù)圖樣的特點(diǎn)，入射光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，同一裝置產(chǎn)生的雙縫干預(yù)圖樣中條紋越寬，條紋間距也越大，由此題條件可確定另一種顏色的單色光比綠光波長(zhǎng)要長(zhǎng)，因此選項(xiàng)B、C、D錯(cuò)誤，A正確。1．以下光源可作為相干光源的是()A．兩個(gè)相同亮度的燭焰 B．兩個(gè)相同規(guī)格的燈泡C．雙絲燈泡 D．出自一個(gè)光源的兩束光解析：選D相干光的條件，必需是頻率相同，相位差恒定，故只有D正確。2.某同學(xué)利用如下圖試驗(yàn)觀看光的干預(yù)現(xiàn)象，其中A為單縫屏，B為雙縫屏，C為光屏。當(dāng)他讓一束陽(yáng)光照耀A屏?xí)r，C屏上并沒(méi)有消失干預(yù)條紋，他移走B后，C上消失一窄亮斑。分析試驗(yàn)失敗的緣由可能是()A．單縫S太窄B．單縫S太寬C．S到S1和S2距離不相等D．陽(yáng)光不能作光源解析：選B雙縫干預(yù)中單縫的作用是獲得線光源，而線光源可以看做是由很多個(gè)點(diǎn)光源沿一條線排列組成的，這里觀看不到光的干預(yù)現(xiàn)象是由于單縫太寬，得不到線光源。應(yīng)選項(xiàng)B正確。3.[多項(xiàng)選擇]用波長(zhǎng)為λ的單色光照耀單縫O，經(jīng)過(guò)雙縫M、N在屏上產(chǎn)生明暗相間的干預(yù)條紋，如下圖，圖中a、b、c、d、e為相鄰亮條紋的位置，c為中心亮條紋，那么()A．O到達(dá)a、b的路程差為零B．M、N到達(dá)b的路程差為λC．O到達(dá)a、c的路程差為4λD．M、N到達(dá)e的路程差為2λ解析：選BD振動(dòng)全都的兩光源在空間發(fā)生干預(yù)，得到亮條紋的條件滿意某雙縫到某點(diǎn)的路程差Δx＝nλ(n＝0,1,2,3…)，故B、D正確。4．在雙縫干預(yù)試驗(yàn)中，光屏上P點(diǎn)到雙縫S1、S2的距離之差ΔS1＝0.75μm，光屏上Q點(diǎn)到雙縫S1、S2的距離之差ΔS2＝1.5μm。假設(shè)用頻率ν×1014Hz的黃光照耀雙縫，那么()A．P點(diǎn)消失亮條紋，Q點(diǎn)消失暗條紋B．P點(diǎn)消失暗條紋，Q點(diǎn)消失亮條紋C．兩點(diǎn)均消失亮條紋D．兩點(diǎn)均消失暗條紋解析：選B由光的頻率ν×1014Hz，知光的波長(zhǎng)λ＝eq\f(c,ν)＝5×10－7m。P點(diǎn)到雙縫S1、S2的距離之差ΔS1×10－7λ。Q點(diǎn)到雙縫S1、S2的距離之差ΔS2＝1.5μm＝15×10－7m＝3λ，因此，P點(diǎn)消失暗條紋，Q點(diǎn)消失亮條紋，此題的正確答案是選項(xiàng)B。5.如下圖，在雙縫干預(yù)中，假設(shè)用λ1×10－7m的光照耀，屏上O為中心亮條紋，屏上A為其次級(jí)亮條紋所在處。假設(shè)換用λ2×10－7m的光照耀時(shí)，屏上O處為_(kāi)_______條紋(填“亮〞或“暗〞)，A處為第________級(jí)________(填“亮〞或“暗〞)條紋。解析：雙縫到O點(diǎn)的路程差為零，換用λ2×10－7m的光照耀時(shí)，屏上O處仍是亮條紋。Δx＝2λ1＝nλ2，解得n＝eq\f(2λ1,λ2)＝eq\f(2××10－7,×10－7)＝2.5，即路程差等于兩個(gè)半波長(zhǎng)，所以A處是第三級(jí)暗條紋。答案：亮三暗6.如下圖，用頻率為f的單色光(激光)垂直照耀雙縫，在光屏的P點(diǎn)消失第3條暗條紋，光速為c，那么P到雙縫S1、S2的距離之差|r1－r2|應(yīng)為()A.eq\f(c,2f) B.eq\f(3c,2f)C.eq\f(3c,f) D.eq\f(5c,2f)解析：選D消失暗條紋，說(shuō)明S1、S2到P點(diǎn)距離之差為eq\f(λ,2)×(2n－1)＝eq\f(5,2)λ，而λ＝eq\f(c,f)，所以|r1－r2|＝eq\f(5,2)λ＝eq\f(5c,2f)，因此D是正確的。7.如下圖，用激光束照耀雙縫干預(yù)試驗(yàn)裝置，后面屏上消失干預(yù)條紋，其中單縫的作用是產(chǎn)生線光源，單縫、雙縫應(yīng)平行放置。假設(shè)將單縫繞中心軸旋轉(zhuǎn)(不超過(guò)90°)，那么條紋將發(fā)生的變化是__________________，假設(shè)將雙縫繞中心旋轉(zhuǎn)(不超過(guò)90°)，那么條紋將發(fā)生的變化是________________。解析：在雙縫干預(yù)試驗(yàn)中，單縫的作用是形成線光源，雙縫的作用是形成振動(dòng)狀況相同的相干光源，當(dāng)單縫旋轉(zhuǎn)時(shí)，雙縫被照亮的面積減小，雙縫雖然仍能形成相干光源，但由于通過(guò)雙縫的光能量削減，所以屏上仍能產(chǎn)生干預(yù)條紋，但條紋變暗。當(dāng)雙縫旋轉(zhuǎn)時(shí)，同樣會(huì)導(dǎo)致干預(yù)條紋變暗。同時(shí)，干預(yù)條紋保持與雙縫平行，也隨雙縫的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。答案：條紋不動(dòng)，亮度變暗條紋旋轉(zhuǎn)，亮度變暗8．在雙縫干預(yù)試驗(yàn)中，用頻率ν＝5×1014Hz的單色光照耀雙縫，假設(shè)屏上P點(diǎn)到雙縫距離之差為0.9μm，那么P點(diǎn)將消失____